江 稔, 李 強(qiáng), 郭 峰

(山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

隨著人口增長、工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展,水資源短缺問題普遍得到世界各國矚目[1-2]。其中,農(nóng)業(yè)用水量占比較大,尤其在干旱地區(qū),農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%[3]。因此,如何解決農(nóng)用灌溉用水與淡水短缺之間的矛盾日益被人們重視。溫室大棚作為一種低成本的節(jié)能節(jié)水裝置,不僅能通過減少作物蒸騰量來節(jié)省灌溉用水,而且還能實現(xiàn)作物種植的增量增產(chǎn),成為近年來可持續(xù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點[4]。

為了進(jìn)一步減少干旱地區(qū)溫室種植業(yè)的水資源消耗,相關(guān)學(xué)者基于加濕-除濕技術(shù),提出了“海水溫室”概念[5],能夠在淡水短缺或苦咸水居多的地方提供灌溉用水,并于1994年成功進(jìn)行了項目試點[6]。之后,諸多學(xué)者開始對溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的性能進(jìn)行實驗與模擬研究。通過相關(guān)學(xué)者進(jìn)行的大量實驗研究,得到溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水量受到太陽輻照度、環(huán)境溫濕度、送風(fēng)量、溫室結(jié)構(gòu)、加濕除濕裝置運行參數(shù)的影響,且這些影響之間相互耦合[7-8]。因此,通過實驗很難得到運行參數(shù)對溫室苦咸水淡化系統(tǒng)性能的影響。隨著計算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為研究溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的有效方法。

Davies等最早建立溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[9],但由于模型未考慮溫室內(nèi)作物蒸騰等影響,且假定二級濕簾加濕后的相對濕度為95%,導(dǎo)致模擬結(jié)果誤差較大。為了更快速地預(yù)測溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的性能,相關(guān)學(xué)者基于數(shù)值模擬建立產(chǎn)水量的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式[10-11],但受限于溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同,相關(guān)的關(guān)聯(lián)式均不具有普適性。為了進(jìn)一步優(yōu)化溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的性能,Ehteram等[12]與Zarei等[4]通過建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,得到當(dāng)溫室寬125 m、長200 m、蒸發(fā)器高4 m時溫室苦咸水淡化系統(tǒng)性能最佳。此外,通過模擬濕空氣在不同結(jié)構(gòu)冷凝器中的冷凝傳熱過程,Zamen等[5]證明了使用直接接觸式冷凝器比間接式冷凝器更能夠提高產(chǎn)水量。

綜上所述,目前對于溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的研究忽略了室內(nèi)作物的蒸騰作用,且未分析室外環(huán)境參數(shù)對產(chǎn)水量的影響。因此,本文建立了溫室淡化系統(tǒng)的熱力學(xué)模型,分析產(chǎn)水量與室外環(huán)境參數(shù)的關(guān)系,以期對溫室淡化系統(tǒng)的合理設(shè)計提供一定的技術(shù)支持。

2 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)描述

“海水溫室”就是利用濕空氣加濕、除濕來產(chǎn)生淡水,其主要設(shè)備由2個濕簾、1個冷凝器、離心泵和引風(fēng)機(jī)等組成[13]。溫室為半圓拱型,均采用高透光的PO薄膜。溫室苦咸水淡化系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)流程

通過離心泵抽取苦咸水箱中溫度為20 ℃的苦咸水,由電磁流量計監(jiān)測調(diào)控離心泵轉(zhuǎn)速,保證冷凝器苦咸水入口位置6始終保持苦咸水質(zhì)量流量為3 kg/s,苦咸水進(jìn)入冷凝器管內(nèi),吸收濕空氣在冷凝器管外放出的顯熱和潛熱后,溫度升高3～8 ℃,從冷凝器出口7處離開。冷凝器管外產(chǎn)生的冷凝水從位置12處進(jìn)入淡水箱,淡水箱裝有液位計,通過讀取液位高度計算一段時間內(nèi)的生產(chǎn)淡水量。之后,冷凝器出口的苦咸水在電磁閥的調(diào)控下,分兩路從位置8和位置9處分別進(jìn)入二級濕簾、一級濕簾對空氣進(jìn)行加濕,苦咸水蒸發(fā)升溫0～2 ℃后從位置11和位置10處由管道返回苦咸水箱。通過補水控制苦咸水箱中的苦咸水溫度,實現(xiàn)持續(xù)循環(huán)。

為了方便后續(xù)實驗的計算分析,水管路連接設(shè)備的接口處應(yīng)設(shè)有溫度計,圖中位置1～5處均設(shè)置溫濕度傳感器,一級濕簾入口設(shè)有風(fēng)速測量儀。

在引風(fēng)機(jī)作用下,溫度為28～38 ℃、相對濕度為30%～60%的室外空氣從位置1處進(jìn)入一級濕簾,通過入口處的風(fēng)速測量儀調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,從而根據(jù)一級濕簾迎風(fēng)斷面積計算出空氣的質(zhì)量流量。20 ℃的苦咸水使空氣加濕降溫為溫度為26～32 ℃、相對濕度為65%～85%的濕空氣,從位置2處進(jìn)入溫室種植區(qū),帶走溫室種植區(qū)的熱量,并進(jìn)一步吸收植物蒸騰作用釋放的水蒸氣,變成溫度為29～34 ℃、相對濕度為60%～80%的濕空氣,此時位置3處的濕空氣能夠容納更多的水蒸氣。濕空氣在二級濕簾的作用下進(jìn)一步加濕,成為溫度為25～30 ℃、相對濕度為90%～100%的近飽和濕空氣,從位置4處進(jìn)入冷凝器。最后,近飽和的濕空氣與冷凝器管內(nèi)的苦咸水換熱,變成溫度為23～28 ℃、相對濕度為90%～100%的空氣,從位置5處由引風(fēng)機(jī)排至室外,而在冷凝器管外凝結(jié)出淡水。典型工況條件系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)見表1。

表1 典型工況條件系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化

3 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)模型

① 模擬假設(shè)

為了評估系統(tǒng)的性能,基于能量和質(zhì)量守恒定律列出子系統(tǒng)的平衡方程,并作如下假設(shè)[5,14-16]。

a.濕簾中熱質(zhì)傳遞僅發(fā)生在空氣與水之間,且空氣不會加濕到過飽和狀態(tài);

b.空氣-水界面的溫度等于進(jìn)出口水的平均溫度;

c.假定土壤層絕熱,忽略土壤表面的水分蒸發(fā);

d.冷凝器中,空氣與水流動的交叉方式近似視為全逆流方式;

e.假定冷凝器出口空氣相對濕度為95%,出口空氣溫度等于凝結(jié)淡水溫度。

② 控制方程[15]

將溫室苦咸水淡化系統(tǒng)分成加濕、溫室和除濕等子系統(tǒng),根據(jù)熱質(zhì)平衡方程分別得出子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,溫室苦咸水淡化系統(tǒng)計算流程見圖2。

圖2 溫室苦咸水淡化系統(tǒng)計算流程

a.一級濕簾

一級濕簾的熱質(zhì)平衡方程為:

qm,ah1+qm,9h9=qm,ah2+qm,10h10

(1)

qm,ad1+qm,9=qm,ad2+qm,10

(2)

式中qm,a——室外空氣中干空氣的質(zhì)量流量(簡稱室外干空氣質(zhì)量流量),kg/s

h1——一級濕簾入口空氣的比焓,kJ/kg

qm,9——一級濕簾入口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

h9——一級濕簾入口苦咸水的比焓,kJ/kg

h2——一級濕簾出口空氣的比焓,kJ/kg

qm,10——一級濕簾出口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

h10——一級濕簾出口苦咸水的比焓,kJ/kg

d1——一級濕簾入口空氣的含濕量,kg/kg

d2——一級濕簾出口空氣的含濕量,kg/kg

一級濕簾的傳熱傳質(zhì)關(guān)系見文獻(xiàn)[15]。

b.溫室種植區(qū)

溫室種植區(qū)的熱質(zhì)平衡方程為:

qm,ah2+(1-φp)EτA=

qm,ah3+KAc(tave,shi-t1)+Φ+

(3)

Tsky,k=0.055 2(t1+273.15)1.5

(4)

(5)

式中φp——作物冠層的短波反射率,取0.25

E——太陽輻照度,kW/m2

τ——薄膜透過率,取0.82

A——作物種植面積,m2

h3——二級濕簾入口空氣的比焓,kJ/kg

K——薄膜傳熱系數(shù),W/(m2·K),取7 W/(m2·K)

Ac——薄膜傳熱面積,m2

tave,shi——溫室種植區(qū)內(nèi)平均溫度,℃,取溫室種植區(qū)入口溫度t2和溫室種植區(qū)出口溫度t3的平均值

t1——室外空氣溫度,即一級濕簾入口空氣溫度,℃

Φ——作物蒸騰散熱量,kW,采用彭曼公式[17]計算

fv——長波輻射系數(shù),取0.81

σ——斯忒藩-玻耳茲曼常量,W/(m2·K4),取5.67×10-8W/(m2·K4)

εs——作物葉表面發(fā)射率,取0.98

Tave,shi,k——溫室種植區(qū)內(nèi)平均熱力學(xué)溫度,K

Tsky,k——天空有效溫度,K

r——汽化潛熱,kJ/kg,取2 500 kJ/kg

d3——二級濕簾入口空氣的含濕量,kg/kg

c.二級濕簾

二級濕簾的熱質(zhì)平衡方程為:

qm,ah3+qm,8h8=qm,ah4+qm,11h11

(6)

qm,ad3+qm,8=qm,ad4+qm,11

(7)

式中qm,8——二級濕簾入口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

h8——二級濕簾入口苦咸水的比焓,kJ/kg

h4——二級濕簾出口空氣的比焓,kJ/kg

qm,11——二級濕簾出口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

h11——二級濕簾出口苦咸水的比焓,kJ/kg

d4——二級濕簾出口空氣的含濕量,kg/kg

二級濕簾的傳熱傳質(zhì)關(guān)系見文獻(xiàn)[15]。

d.冷凝器

冷凝器的熱質(zhì)平衡方程為:

qm,ah4+qm,6h6=qm,ah5+qm,7h7+qm,12h12

(8)

qm,ad4=qm,ad5+qm,12

(9)

qm,6=qm,7

(10)

式中qm,6——冷凝器入口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

h6——冷凝器入口苦咸水的比焓,kJ/kg

h5——冷凝器出口空氣的比焓,kJ/kg

qm,7——冷凝器出口苦咸水的質(zhì)量流量,kg/s

h7——冷凝器出口苦咸水的比焓,kJ/kg

qm,12——冷凝水的質(zhì)量流量(簡稱產(chǎn)水量),kg/s

h12——冷凝淡水的比焓,kJ/kg

d5——冷凝器出口空氣的含濕量,kg/kg

關(guān)于冷凝器的傳熱關(guān)系式見文獻(xiàn)[15]。

4 結(jié)果與討論

4.1 模型驗證

采用文獻(xiàn)[15]中的實驗數(shù)據(jù)分別對濕簾、溫室種植區(qū)和冷凝器等子系統(tǒng)模型中出口空氣的溫度和含濕量進(jìn)行驗證。結(jié)果表明濕簾模型的溫度模擬值的相對偏差為3.96%～5.88%,含濕量模擬值相對偏差為0.43%～4.39%;溫室種植區(qū)模型溫度模擬值的相對偏差為-3.04%～1.47%,含濕量相對偏差范圍為-7.12%～0.52%;冷凝器模型的溫度模擬值相對偏差為-1.05%～2.22%,含濕量相對偏差為-2.46%～1.26%。綜上,模擬值與實驗值的相對偏差低于15%,本文所建立的數(shù)學(xué)模型可以有效預(yù)測溫室苦咸水淡化系統(tǒng)的熱濕傳遞性能。

4.2 產(chǎn)水量與室外參數(shù)的關(guān)系

本研究使用前文所建立并驗證的模型,利用Matlab軟件編寫程序進(jìn)行仿真模擬,模型模擬參數(shù)及邊界條件設(shè)置見表2。在溫室種植區(qū)環(huán)境滿足作物生長所需的允許溫濕度范圍時(溫度不超過33 ℃,相對濕度不超過90%),本研究主要關(guān)注室外環(huán)境參數(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)水量的影響。其中,冷凝器作為溫室淡化系統(tǒng)產(chǎn)水的核心部件,在冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷卻水流量和溫度已定的情況下,產(chǎn)水量主要取決于冷凝器入口前空氣的狀態(tài)參數(shù)。下文將重點分析室外環(huán)境參數(shù)引起的產(chǎn)水量變化。

表2 模型模擬參數(shù)及邊界條件設(shè)置

4.2.1太陽輻照度對產(chǎn)水量的影響

當(dāng)室外空氣溫度為34 ℃,相對濕度為45%,室外干空氣質(zhì)量流量分別為10、15、20 kg/s時產(chǎn)水量與太陽輻照度關(guān)系見圖3。

由圖3可以看出,室外干空氣質(zhì)量流量一定的條件下,產(chǎn)水量隨著太陽輻照度增加而增加。其原因在于,室外太陽輻射熱最終轉(zhuǎn)化為溫室內(nèi)空氣的顯熱和作物蒸騰水分的潛熱,空氣需要帶走室內(nèi)的余熱余濕,其溫度升高,含濕量增加。當(dāng)空氣在進(jìn)入二級濕簾時,空氣的容水能力增加,最終使冷凝器入口前空氣的溫濕度相對較高,產(chǎn)水量增加。

圖3 產(chǎn)水量與太陽輻照度的關(guān)系

隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量逐漸減小,且隨著太陽輻照度增加,由室外干空氣質(zhì)量流量增加引起產(chǎn)水量負(fù)面效應(yīng)逐漸顯著。這是因為在低太陽輻照度情況下,溫室種植區(qū)產(chǎn)生的余熱余濕較少,此時,室外干空氣質(zhì)量流量對空氣的加濕除濕效果影響不大;而高太陽輻照度會顯著增加溫室種植區(qū)內(nèi)的余熱余濕,所以室外干空氣質(zhì)量流量使冷凝器入口前空氣溫濕度出現(xiàn)較大的差異。

當(dāng)室外干空氣質(zhì)量流量為10～20 kg/s,太陽輻照度從400 W/m2增加到1 000 W/m2,可以使產(chǎn)水量增加13%～29%。

4.2.2室外空氣相對濕度對產(chǎn)水量的影響

當(dāng)室外空氣溫度為34 ℃,太陽輻照度為800 W/m2,室外干空氣質(zhì)量流量分別為10、15、20 kg/s時,產(chǎn)水量與室外空氣相對濕度關(guān)系見圖4。

圖4 產(chǎn)水量與室外空氣相對濕度關(guān)系

由圖4可以看出,在室外空氣質(zhì)量流量一定條件下,產(chǎn)水量隨著室外空氣相對濕度增加而增加。其原因在于,由于室外空氣相對濕度較高,使空氣經(jīng)過濕簾加濕后能夠達(dá)到飽和狀態(tài)。最終導(dǎo)致空氣在冷凝器入口溫濕度高,產(chǎn)水量大。當(dāng)室外空氣相對濕度低于55%時,產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而減小;當(dāng)室外空氣相對濕度高于55%時,產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而增大。

在室外空氣溫度為34 ℃、太陽輻照度為800 W/m2條件下,當(dāng)室外空氣相對濕度從30%增加到80%時,系統(tǒng)產(chǎn)水量增加了2.5～7.0倍。

當(dāng)室外空氣相對濕度較高時,即使室外干空氣質(zhì)量流量增加,空氣流速變大,空氣經(jīng)過兩個濕簾加濕后,依然能夠以較高的相對濕度進(jìn)入冷凝器除濕。換言之,增加相對濕度較高的干空氣質(zhì)量流量提高了冷凝器的除濕效率,所以當(dāng)室外空氣相對濕度高于55%時,隨室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量增加。

4.2.3室外空氣溫度對產(chǎn)水量的影響

當(dāng)室外空氣相對濕度為45%,太陽輻照度為800 W/m2,室外干空氣質(zhì)量流量分別為10、15、20 kg/s時產(chǎn)水量與室外空氣溫度關(guān)系見圖5。

由圖5可以看出,室外干空氣質(zhì)量流量一定時,室外干空氣溫度越高,產(chǎn)水量越大。這是由于當(dāng)室外空氣相對濕度相同時,溫度越高,空氣的容水能力越強(qiáng)。高溫空氣在經(jīng)過兩個濕簾加濕后能夠帶走更多的水蒸氣,使空氣以高溫高濕的狀態(tài)進(jìn)入冷凝器除濕,所以產(chǎn)水量增大。

從圖5中還可以看出,當(dāng)室外空氣溫度低于36 ℃時,隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量減小;而當(dāng)室外空氣溫度超過36 ℃以后,改變室外干空氣質(zhì)量流量對產(chǎn)水量影響不大。這是因為在相同的室外空氣相對濕度條件下,雖然高溫空氣有容納更多水蒸氣的潛力,但改變室外干空氣質(zhì)量流量會影響空氣與濕簾水的熱質(zhì)傳遞效果,在室外空氣溫度較低時,較小的室外干空氣質(zhì)量流量能夠使空氣加濕到近飽和狀態(tài)。

圖5 產(chǎn)水量與室外空氣溫度的關(guān)系

在室外相對濕度為45%、太陽輻照度為800 W/m2的條件下,當(dāng)室外空氣溫度從30 ℃增加到38 ℃時,產(chǎn)水量增加了1.5～2.3倍。

經(jīng)以上分析可以發(fā)現(xiàn),室外環(huán)境參數(shù)改變引起的水蒸氣分壓力差是影響產(chǎn)水量的根本原因,室外環(huán)境參數(shù)對產(chǎn)水量的影響由大到小為室外空氣相對濕度、室外空氣溫度、太陽輻照度。

5 結(jié)論

① 在室外干空氣質(zhì)量流量一定的條件下,產(chǎn)水量隨著太陽輻照度增加而增加。當(dāng)室外干空氣質(zhì)量流量為10～20 kg/s,太陽輻照度從400 W/m2增加到1 000 W/m2時,產(chǎn)水量增加13%～29%。

② 在相同室外干空氣質(zhì)量流量下,產(chǎn)水量隨著室外空氣相對濕度增加而增加。當(dāng)室外空氣相對濕度低于55%時,產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而減小;當(dāng)室外空氣相對濕度高于55%時,產(chǎn)水量隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加而增大。在室外空氣溫度為34 ℃、太陽輻照度為800 W/m2條件下,當(dāng)室外空氣相對濕度從30%增加到80%時,系統(tǒng)產(chǎn)水量增加了2.5～7.0倍。

③ 室外干空氣質(zhì)量流量一定時,室外空氣溫度越高,產(chǎn)水量越大。當(dāng)室外空氣溫度低于36 ℃時,隨著室外干空氣質(zhì)量流量增加,產(chǎn)水量減小;當(dāng)室外空氣溫度超過36 ℃以后,改變室外干空氣質(zhì)量流量對產(chǎn)水量影響不大。在室外相對濕度為45%、太陽輻照度為800 W/m2的條件下,當(dāng)室外空氣溫度從30 ℃增加到38 ℃時,產(chǎn)水量增加了1.5～2.3倍。

④ 室外環(huán)境參數(shù)改變引起的水蒸氣分壓力差是影響產(chǎn)水量的根本原因,室外環(huán)境參數(shù)對產(chǎn)水量的影響由大到小為室外空氣相對濕度、室外空氣溫度、太陽輻照度。